碳化硅ICP刻蝕速率及表面形貌研究

崔海波，梁 庭，熊繼軍，喻蘭芳,王心心，王濤龍

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

?

碳化硅ICP刻蝕速率及表面形貌研究

崔海波，梁 庭，熊繼軍，喻蘭芳,王心心，王濤龍

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

SiC材料由于其高的禁帶寬度(2.3～3.4 eV),10倍于Si的擊穿電壓而越來(lái)越受到重視，尤其是在高溫環(huán)境中，是制作高溫器件的理想材料。但同時(shí)由于SiC的高硬度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，使得SiC的加工也變的較為困難?？涛g作為加工SiC的理想手段運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，文中就此展開(kāi)研究，詳細(xì)研究ICP刻蝕過(guò)程中各參數(shù)對(duì)其刻蝕速率及表面形貌的影響，對(duì)加工SiC具有一定指導(dǎo)意義。

ICP 刻蝕速率；刻蝕形貌；碳化硅

0 引言

近年來(lái)，如何在高溫惡劣環(huán)境中進(jìn)行壓力測(cè)量越來(lái)越受到人們的重視，而目前應(yīng)用最廣泛的硅基壓力傳感器由于其自身材料的限制，而無(wú)法作為高溫壓力傳感器的制作材料。于是人們把目光投向了最有希望的耐高溫材料碳化硅。碳化硅相對(duì)于硅而言，其禁帶寬度是硅的3倍，擊穿電壓是硅的10倍，同時(shí)具有耐高溫、耐高壓和抗輻射的特點(diǎn)。所以，以碳化硅為材料的器件更為適合在高溫惡劣環(huán)境中應(yīng)用。但是，由于碳化硅具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，使得碳化硅的加工也變得十分困難，目前，對(duì)碳化硅進(jìn)行體加工的方法包括：電化學(xué)腐蝕、激光刻蝕、超聲加工、熔鹽沖刷或等離子體刻蝕[1]。其中，等離子刻蝕能夠快速可靠地對(duì)碳化硅材料進(jìn)行加工，同時(shí)具有選擇性和各向異性，形成光滑、干凈的表面，并且對(duì)碳化硅襯底的損傷降低到最低程度和制作高的深寬比結(jié)構(gòu)，因此ICP刻蝕成為加工碳化硅材料的最佳選擇。

1 實(shí)驗(yàn)原理

感應(yīng)耦合等離子刻蝕(Inductively coupled plasma,ICP)是通過(guò)向一個(gè)被電感線圈環(huán)繞的絕緣舟容器上施加射頻電壓來(lái)產(chǎn)生等離子體[2]。ICP刻蝕系統(tǒng)一般都有2個(gè)獨(dú)立的13.56 MHz的射頻電源RF1和RF2，上電極RF1給反應(yīng)腔室外面線圈加壓，用于電離刻蝕氣體，交變的電磁場(chǎng)又使得等離子體中電子路徑改變，增加等離子體濃度；下電極RF2提供偏置電壓，使等離子體能夠垂直作用于基片，與基片物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到刻蝕目的，工作原理圖如圖1所示。

圖1 ICP刻蝕原理圖

電離出的等離子體不僅要能夠和碳化硅反應(yīng)，而且生成的產(chǎn)物在刻蝕溫度和氣壓下能夠具有揮發(fā)性，這樣才能使表面避免產(chǎn)生殘留物，使得刻蝕能夠持續(xù)進(jìn)行。從目前研究來(lái)看，刻蝕碳化硅最有效的是氟類(lèi)物質(zhì)[3]，其反應(yīng)機(jī)理如下:

SF6→SF5+F-

Si+xF→ SiFxx≤1～4;

C+xF→ CFxx≤1～2;

本實(shí)驗(yàn)中所用的ICP刻蝕設(shè)備是GSE200PLUS型刻蝕機(jī)，刻蝕用到的氣體有SF6、CF4、C4F8和O2。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

碳化硅在刻蝕前，需要做一層掩膜層，查資料所得，常用的掩膜有光刻膠、金屬Ni[4]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制的參數(shù)主要有腔室壓力、RF1電源、RF2電源功率、氣體流量和刻蝕時(shí)間等。通過(guò)改變其中某一個(gè)變量，來(lái)討論工藝參數(shù)對(duì)于刻蝕速率和刻蝕形貌的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 掩膜的選擇

實(shí)驗(yàn)中，采用了同一條件對(duì)光刻膠和Ni掩膜的碳化硅進(jìn)行刻蝕。用掃描電鏡對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)定腔室壓力為10 mT,上電極功率1 000 W，下電極功率600 W，SF6流量為100 sccm，刻蝕10 min。結(jié)果如圖2所示。

圖2中(a)～(b)分別在同一條件，不同掩膜下對(duì)比光刻膠掩膜和Ni掩膜的不同。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)條件下，光刻膠做的掩膜已經(jīng)被刻蝕完了，碳化硅表面也刻蝕了一部分，但是已經(jīng)無(wú)法測(cè)出臺(tái)階了。而在Ni掩膜的碳化硅形貌基本保持完好，刻蝕深度達(dá)到了2.92 μm，刻蝕速率290 nm/min，側(cè)壁傾角約85°。為了驗(yàn)證光刻膠是否完全無(wú)法作為刻蝕碳化硅的掩膜，減少了刻蝕條件中的上下電極功率，同時(shí)縮短刻蝕時(shí)間為5 min，得到了如圖3所示的刻蝕結(jié)果。

圖3 低功率下的光刻膠掩膜刻蝕

從圖3中可以明顯的看出，在減少功率和刻蝕時(shí)間的情況下，光刻膠也能作為刻蝕碳硅的掩膜，這時(shí)候刻蝕了437 nm的碳化硅，刻蝕速率達(dá)到了130 nm/min，刻蝕角度為124°左右，角度不太垂直。當(dāng)在碳化硅淺刻蝕時(shí)，并不需要非要用Ni作為掩膜，因?yàn)殄僋i增加了工藝復(fù)雜性。如果刻蝕深度不超過(guò)1μm，則也可以用光刻膠作為掩膜，這樣可以縮短工藝周期。

3.2 刻蝕氣體

刻蝕常用的氣體主要有SF6、CF4、C4F8和O2等，其中SF6、CF4是刻蝕碳化硅的主要?dú)怏w，在刻蝕時(shí)?；烊氩糠諳2來(lái)控制速率和形貌[5]，而C4F8用于碳化硅深刻蝕時(shí)作為鈍化氣體。實(shí)驗(yàn)中，分別用SF6和CF4在相同條件下對(duì)碳化硅進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)二者流量都為80 sccm，觀察刻蝕后的表面形貌如圖4所示。

從圖4中的比較中可以看出，SF6和CF4在同樣條件下對(duì)碳化硅刻蝕時(shí)，形貌區(qū)別并不是很大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，SF6刻蝕的側(cè)壁更加垂直點(diǎn)。但是刻蝕速率SF6達(dá)到了162 nm/min就比CF4140 nm/min快很多。這與理論是相符合的。在碳化硅刻蝕過(guò)程中，SF6電離出F離子，F(xiàn)離子分別和Si、C發(fā)生反應(yīng)，生成氣體或者易揮發(fā)的物質(zhì)。而CF4電離出F離子后，剩下的CFx和最后F、C生成的物質(zhì)相同，使得在碳化硅界面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)向左偏移[6]，從而刻蝕速率相對(duì)于SF6有所降低。所以在以后的刻蝕實(shí)驗(yàn)中，還是主要選擇SF6作為刻蝕碳化硅的主要?dú)怏w。在之后的實(shí)驗(yàn)中往SF6氣體中加入了部分O2，發(fā)現(xiàn)加入后，刻蝕形貌并沒(méi)有多大的變化，但是刻蝕速率增加許多，這是由于部分氧離子能夠跟C反應(yīng)，刻蝕C的F離子被釋放出來(lái)，使得刻蝕速率增加。但是O2所占刻蝕氣體的比例不能超過(guò)太大，最好不要超過(guò)30%，否則，就會(huì)降低主要刻蝕氣體SF6的濃度，反而使得刻蝕速率下降[7]。

在SF6氣體中加入部分C4F8，氣體總流量還是80 sccm，其中SF660 sccm，C4F820sccm，其他工藝條件不變，刻蝕10 min，得到圖5刻蝕圖，從圖5中可以明顯看出與圖4的側(cè)壁不同，此時(shí)的側(cè)壁已經(jīng)成一個(gè)曲面，完全沒(méi)有了角度。這是由于C4F8電離出的物質(zhì)CFX會(huì)與SiC發(fā)生反應(yīng)生成一種(CF2)n的高分子聚合物，這種聚合物沉積在側(cè)壁和底面，底面的聚合物在F離子的轟擊下，又會(huì)被分解掉，側(cè)壁由于F離子轟擊的力度比較小[8]，則會(huì)被留下來(lái)當(dāng)做側(cè)壁的保護(hù)層。

在進(jìn)行碳化硅深刻蝕的時(shí)候，由于隨著刻蝕深度的加深，刻蝕氣體對(duì)側(cè)壁的腐蝕越大，導(dǎo)致刻蝕底部的形貌如圖5，而且這種趨勢(shì)會(huì)隨著刻蝕深度的加深越來(lái)越明顯。因此，進(jìn)行碳化硅深刻蝕的時(shí)候，分為刻蝕和鈍化兩步，交替進(jìn)行,這樣使得刻蝕百μm以上的深度時(shí)，都能保持比較好的垂直度。其流程圖如圖6所示。

圖6 深刻蝕工藝流程

綜上所述，刻蝕氣體的選擇對(duì)刻蝕速率和形貌有很大的影響，其中刻蝕速率主要隨著氣體濃度呈拋物線增加，有一個(gè)最佳氣體濃度。而氣體的種類(lèi)，則根據(jù)刻蝕的具體需要來(lái)定，淺刻蝕碳化硅主要用SF6加少量的O2，在深刻蝕時(shí)，則選用C4F8和SF6交替進(jìn)行[9]。

3.3 RF1與RF2功率

RF1主要用于電離氣體產(chǎn)生離子。圖7中3個(gè)圖分別是在氣體流量和RF2一定的情況下，RF1=600 W、1 000 W、1 500 W 3個(gè)不同功率的SEM圖，圖中可以看出隨著功率的增大，相同時(shí)間下刻蝕的深度也增大。圖7(a)、圖7(b)的側(cè)壁形貌保持的很好，但圖7(c)的形貌側(cè)壁就看出有明顯的刻蝕。這是因?yàn)镽F1功率越大，則單位時(shí)間內(nèi)電離的氣體越多，離子濃度增大，刻蝕速率也會(huì)相應(yīng)增大。但是如果RF1功率過(guò)大，反應(yīng)離子的高濃度則會(huì)降低刻蝕的各向異性[10]。主要是增大刻蝕功率會(huì)增加氟離子濃度，過(guò)高的氟離子濃度造成對(duì)側(cè)壁的刻蝕加快，從而導(dǎo)致刻蝕的各向異性降低，使得底部形貌弧度逐漸變大?？涛g速率分別為：185 nm/min，241 nm/min，370 nm/min。

圖7 不同RF1功率下的SEM圖

RF2電源用于給等離子體一個(gè)偏置電壓，從而為等離子提供能量，能夠使氟離子作用于基片，所以RF2的功率大小直接影響到等離子體作用到基片的能量。一般來(lái)說(shuō)，RF2功率不宜太大。圖8分別代表RF2=100 W、300 W、600 W的刻蝕結(jié)果。從刻蝕結(jié)果來(lái)看，3個(gè)刻蝕功率下的垂直度都挺好，只是在600 W的時(shí)候出現(xiàn)了“sub-trench”形貌。這是由于在RF2功率增大時(shí)，離子獲得的能量變大，對(duì)基片刻蝕程度也增強(qiáng)，刻蝕速率會(huì)隨著增大，但是當(dāng)功率過(guò)大時(shí)，刻蝕離子會(huì)在基片表面發(fā)生反射，加強(qiáng)了對(duì)側(cè)壁底部刻蝕[11]，出現(xiàn)圖8(c)中的刻蝕現(xiàn)象。

圖8 不同RF2功率下的SEM圖

RF2的功率過(guò)大會(huì)對(duì)基片造成很大的損傷，所以RF2的功率最好不要超過(guò)600 W，遠(yuǎn)小于RF1的功率。

4 結(jié)論

ICP刻蝕是目前微納加工中非常重要的一步工藝，刻蝕的優(yōu)良直接影響到器件的品質(zhì)。而影響刻蝕的質(zhì)量因素，除了本論文中的幾個(gè)條件之外，還有其他很多因素，如:溫度、氣體純度、真空度等，是一個(gè)多條件綜合的結(jié)果。本文單獨(dú)討論其中某一條件對(duì)刻蝕影響，是為在以后實(shí)驗(yàn)中綜合考慮各個(gè)條件下刻蝕結(jié)果的提供參考?？涛g不僅僅需要理論的支持，更需要做更多的實(shí)踐，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

[1] 碳化硅-半導(dǎo)體材料.儀表技術(shù)與傳感器,1971(5).

[2] 楊振文.國(guó)外碳化硅器件的歐姆接觸概況.儀表技術(shù)與傳感器,1973(4).

[3] 張鑒，黃慶安.ICP刻蝕技術(shù)與模型.微納電子技術(shù)，2005(6):288-296.

[4] 鄭志霞，馮勇建，張春權(quán).ICP刻蝕技術(shù)研究.廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，43(8):365-368.

[5] FREDERILO S,HIBERX C,FRITSCHI P,et al.Silicon sacrificial dry etching (SSLD E)for free-standing RF MEMS Architectures Micro Electro Mechanical System,2003(10):19-23.

[6] 張冬至,胡國(guó)清,陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器研究與進(jìn)展.儀表技術(shù)與傳感器,2009(11).

[7] 陳兢.ICP體硅深刻蝕中側(cè)壁形貌控制的研究.中國(guó)機(jī)械工程，2005，24(2):200-203.

[8] 劉之景.等離子體刻蝕加工中的器件損傷.儀表技術(shù)與傳感器,1999(5).

[9] 陳剛，李哲洋，陳征，等.4H-SiC MESFET工藝中的金屬掩模研究.第十五屆全國(guó)化合物半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會(huì)議，廣州，2008.

[10] JANSEN H,DE BOER M,ELWENSPOEK M.The Black Silicon Method.Vi.High Aspect Ratio Trench Etching For Mems.

[11] 張力江，幺錦強(qiáng)，周俊，等.ICP腔體壓力對(duì)直流偏壓的影響.半導(dǎo)體技術(shù)，2010(8):794-796.

Study on Etch Rate and Surface Morphology of Silicon Carbide by ICP

CUI Hai-bo,LIANG Ting,XIONG Ji-jun,YU Lan-fang,WANG Xin-xin,WANG Tao-long

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to its high band width (2.3～3.4eV) of SiC,the breakdown voltage is 10 times of the breakdown voltage of Si and has been paid more and more attention,especially in the high temperature environment,and it is the ideal material for manufacturing high temperature devices. But at the same time,due to the high hardness of SiC and stable chemical property,the processing of SiC has become more difficult. As an ideal means,etching processing is more and more widely used,the research was launched in this paper. The detailed study of the parameters affecting the ICP etching process for the etch rate and surface morphology was launched,which has certain guiding significance to the processing of SiC.

ICP etch rate;etching morphology;SiC

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075375)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010CB334703)

2014-11-03 2015-06-11

TN212

A

1002-1841(2015)09-0001-03

崔海波(1988—)，碩士研究生，主要從事高溫壓力傳感器工藝研究。E-mail：15525466836@163.com 梁庭(1979—)，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高溫壓力傳感器研究。E-mail:liangtingnuc@nuc.com